開題報告

電氣工程及自動化

基于矢量控制的變頻調速系統設計與仿真

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

隨著生產技術的不斷發展，直流拖動的薄弱環節逐步顯現出來。由于換向器的存在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉速以及使用環境都受到限制。人們轉向結構簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的異步電動機，但異步電動機的調速性能難以滿足生產要求。于是，從20世紀30年代開始，人們就致力于交流調速技術的研究，然而進展緩慢。在相當長時期內，在變速傳動領域，直流調速一直以其優良的性能領先于交流調速。60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術和控制技術的飛速發展，使得交流調速性能可以與直流調速相媲美、相競爭。目前，交流調速已進入逐步代替直流調速的時代。

電力電子器件的發展為交流調速奠定了物質基礎。20世紀50年代末出現了晶閘管，由晶閘管構成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交變電壓，取代旋轉變頻機組實現了變頻調速。70年代后期，以功率晶體管(GTR)，門極可關斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應管(Power

MOSFET)為代表的全控型器件先后問世，并迅速發展。在80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的復合型器件異軍突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的優點，它把MOSFET的驅動功率小、開關速度快的優點和GTR通態壓降小、載流能力大的優點集于一身，性能十分優越，目前是用于中小功率范圍最為流行的器件。與IGBT相對應，MOS控制晶體管(MCT)則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關特性，是極有發展前景的大功率、高頻功率開關器件。80年代以后出現的功率集成電路(Power

IC-PIC)，集功率開關器件、驅動電路、保護電路、接口電路于一體，目前己用于交流調速的智能功率模塊(Intelligent

Power

Module-IPM)采用IGBT作為功率開關，含有驅動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護電路，實現了信號處理、故障診斷、自我保護等多種智能功能，既減少了體積、減輕了重量、又提高了可靠性，使用維護都更加方便，是功率器件的發展方向。

隨著新型電力電子器件的不斷涌現，變頻技術獲得飛速發展。現代的電力電子變換裝置中，PWM變壓變頻技術是主要使用的變換器控制技術，常用的PWM控制技術有：基于正弦波對三角波脈寬調制的SPWM控制；基于消除指定次數諧波的HEPWM控制；基于電流環跟蹤的CHPWM控制；電壓空間矢量控制SVPWM控制。在以上的4種PWM變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標，第4種則以被控電機的算法簡單為目標的，因此目前應用最廣。

在變頻技術日新月異地發展的同時，交流電動機控制取得了突破性進展。由于交流電動機是多變量、強耦合的非線性系統，與直流電動機相比，轉矩控制要困難得多。上世紀70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動機的轉矩控制問題。矢量控制在國際上一般多稱為磁場定向控制，亦即把磁場矢量的方向作為坐標軸的基準方向，電動機電流矢量的大小、方向均用瞬時值來表示。這個理論是1968年首先由Darmstader工科大學的Hasse博士發表。1971年西門子公司的Blaschke又將這種一般化的概念形成系統理論，并以磁場定向控制的名稱發表。前者是在學會的論文雜志上發表；而后者是公司研究成果，故以專利的形式發表。

矢量控制方式有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉矩矢量控制等，可提高異步電動機轉矩控制性能的技術外，目前的新技術還包括異步電動機控制常數的調節及與機械系統匹配的適應性控制等，以提高異步電動機應用性能的技術。為了防止異步電動機轉速偏差以及在低速區域獲得較理想的平滑轉速，應用大規模集成電路并采用專用數字式自動電壓調整（AVR）控制技術的控制方式，已實用化并取得良好的效果。

近十多年來，各國學者致力于無速度傳感器控制系統的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量，進行速度估算以取代速度傳感器。其關鍵在于在線獲取速度信息。除了根據數學模型計算電動機轉速外，目前應用較多的有模型參考自適應法和擴展卡爾曼濾波法。無速度傳感器控制技術不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環境適應性、安裝維護等麻煩，提高了系統可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛興趣。

本設計是基于矢量控制的變頻調速系統設計與仿真，主要研究交流異步電機控制系統的拓撲結構、系統構成和工作原理，并對交流異步電機矢量控制系統進行建模與仿真，結合應用前沿電力電子技術和先進控制理論，完成交流異步電機的雙閉環控制與性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基礎上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統的仿真模型，進行仿真研究與性能測試。同時，本設計結合當今國內外實例對該原理進行實際論證。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

矢量控制是一種新型的高性能的交流傳動控制技術，該控制方法思想新穎，控制結構簡單，具有良好的動、靜態性能，在船舶電力推進系統中有著廣闊的應用前景。綜合掌握電氣工程學科領域前沿的電力電子技術，及電力傳動控制方面的基礎理論和相關技術。

主要研究交流異步電機控制系統的拓撲結構、系統構成和工作原理，并對交流異步電機矢量控制系統進行建模與仿真，應用前沿電力電子技術和先進控制理論，完成交流異步電機的雙閉環控制與性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基礎上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統的仿真模型，進行仿真研究與性能測試。

三、研究步驟、方法及措施：

1.總體方案的選擇、確立；

2.進行理論分析計算；

3.硬件制作調試和軟件編程；

4.擬出論文初稿；

5.作品的完善。

通過查閱已有的相關文檔及技術資料，先確立總體方案，根據選擇的方案進行針對性的設計研究。

四、參考文獻

[1].阮毅，陳伯時．電力拖動自動控制系統——運動控制系統[M]，第4版．北京：機械工業出版社，2009.8．

[2].陳伯時．交流調速系統[M]，北京：機械工業出版社，1999．

[3].胡崇岳．現代交流調速技術[M]，北京：機械工業出版社，1998.9．

[4].周紹英，儲方杰．交流調速系統[M]，北京：機械工業出版社，1996.11．

[5].吳安順．最新實用交流調速系統[M]，北京：機械工業出版社，1998.8．

[6].王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g[M]，第4版．北京：機械工業出版社，2000．

[7].丁斗章．變頻調速技術與系統應用[M]，北京：機械工業出版社，2005.10．

李華德．交流調速控制系統[M]，北京：電子工業出版社，2002．